Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследований
Автор: П. А. Архипов, А. В. Колычев, М. В. Чернышов, В. А. Керножицкий
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Ракетно-космическая техника
Статья в выпуске: 4, 2023 года.
Бесплатный доступ
Целью данной статьи является обзор текущего состояния исследований в области термоэмиссионного охлаждения и освещение их потенциальных применений в астронавтике и ракетостроении, особенно для космических аппаратов многоразового использования и высокоскоростных самолетов. В статье обобщены результаты работы исследовательских групп из нескольких университетов России, США и Китая. В ней рассматриваются теоретические модели и экспериментальные разработки технологии термоэмиссионного охлаждения, без углубления в подробные методологии. Основные исследования в этой области проводятся командами из университетов Мичигана, Колорадо, Вермонта и Техаса в США при активной поддержке корпорации Lockheed Martin. В данных университетах уже активно производятся экспериментальные исследования данной технологии. Более того, уже полученные результаты хорошо коррелируют с результатами теоретической проработки, из чего можно сделать вывод о перспективности исследований. Эффект термоэлектронной эмиссии дает возможность снизить температуру передних кромок аппаратов, что особенно актуально для космических аппаратов многоразового использования и беспилотных миссий, где поддержание оптимальной температуры компонентов становится ключевым фактором срока службы и надежности системы.
Термоэмиссионное охлаждение, термоэлектронная эмиссия, тепловые нагрузки, многоразовые космические аппараты
Короткий адрес: https://sciup.org/14128597
IDR: 14128597 | УДК: 629.78 | DOI: 10.26732/j.st.2023.4.01
Thermal emission cooling of aircraft elements. Review of modern studies
The purpose of this article is to review the current state of research in the field of thermal emission cooling and the feasibility study effect and to highlight their potential applications in astronautics and rocket science, especially for reusable spacecraft and high-speed aircraft. The article summarizes the results of the work of several research groups from several universities in Russia, the USA and China. It discusses theoretical models and experimental developments of thermal emission cooling technology, without going into detailed methodologies. The main research in this area is carried out by teams from the universities of Michigan, Colorado, Vermont and Texas in the USA with the active support of Lockheed Martin Corporation. Experimental studies of this technology are already being actively carried out at these universities. Moreover, the results already obtained correlate well with the results of theoretical study, from which we can conclude about the prospects of research. The effect of thermoelectronic emission makes it possible to reduce the temperature of the leading edges of the spacecraft, which is especially important for reusable spacecraft and unmanned missions, where maintaining the optimal temperature of components becomes a key factor in the service life and reliability of the system.
Список литературы Термоэмиссионное охлаждение элементов летательных аппаратов. Обзор современных исследований
- Фридрихов С.А., Мовнин С.М. Глава 10. Физические основы эмиссионной электроники // Физические основы электронной техники. М.: Высшая школа, 1982. С. 434–435. 608 с.
- Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. М.: Атомиздат, 1974.
- Нейланд В.Я., Тумин А.М. Аэротермодинамика воздушно-космических самолетов. Конспект лекций. Жуковский: ФАЛТ МФТИ, 1991.
- Колычев А.В., Керножицкий В.А. Тепловая защита гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА) с использованием явления термоэлектронной эмиссии // Решетневские чтения. 2009. Т. 1. № 13. С. 29–30.
- Керножицкий В.А., Колычев А.В. Концепция развития методов и средств преодоления теплового барьера // Информация и космос. 2011. № 2. С. 50–53.
- Колычев А.В. и др. О влиянии термоэмиссионного охлаждения на КПД газотурбинной энергетической установки // Проблемы региональной энергетики. 2020. № 4 (48). С. 45–57.
- Архипов П.А., Колычев А.В., Керножицкий В.А. Термоэмиссионное охлаждение элементов высокоскоростных летательных аппаратов с учетом ограничения пространственным зарядом // Аэрокосмическая техника и технологии. 2023. Т. 1. № 1. С. 105–116.
- Подкульский С.П., Уилсон В.С. Работа термоэлектронного преобразователя с /112/на/114/ориентированным вольфрамовым излучателем и ниобиевым коллектором в присутствии кислорода. НАСА, 1970 год. Номер GESP?9006.
- Ефимов К.Н. и др. Моделирование системы тепловой защиты на основе термоэмиссионной технологии // Журнал теплофизики и теплопередачи. 2020. Т. 34. № 3. С. 548–555.
- Зимин В.П., Ефимов К.Н., Керножицкий В.А., Колычев А.В., Овчинников В.А., Якимов А.С. Моделирование системы тепловой защиты, основанной на термоэмиссионной технологии // Теплофизика и аэромеханика. 2020. Т. 21. № 2. С. 227–240.
- Ефимов К.Н., Колычев А.В., Керножицкий В.А., Овчинников В.А., Якимов А.С. Моделирование термоэлектронной тепловой защиты при обтекании сверхзвуковым потоком воздуха сферически затупленного конуса // Теплофизика высоких температур. 2021. Т. 59. № 3. С. 432–442.
- Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Математическое моделирование активной термоэмиссионной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании оболочки // Инженерно-физический журнал. 2020. Т. 93. № 3. С. 517–528.
- Зимин В.П., Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Численное моделирование активной термоэмиссионной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании многослойной оболочки // Теплофизика высоких температур. 2019. Т. 57. № 6. С. 898–906.
- Ефимов К.Н., Овчинников В.А., Якимов А.С. Численное моделирование термоэлектронной тепловой защиты при высокоэнтальпийном обтекании многослойной оболочки // Инженерно-физический журнал. 2022. Т. 95. № 2. С. 335–349.
- Зимин В.П. и др. Моделирование термоэмиссионной тепловой защиты при конвективном нагреве составной оболочки // Космическая техника и технологии. 2019. № 1 (24). С. 23–34.
- Алкандри Х., Ханквист К., Бойд И.Д. Концептуальный анализ охлаждения электронным излучением передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов // 11-я совместная конференция AIAA/ASME по теплофизике и теплопередаче. 2014. С. 2674.
- Ханквист К.М., Хара К., Бойд И.Д. Детальное моделирование электронной эмиссии для испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // Журнал прикладной физики. 2017. Том 121. № 5. С. 053302.
- Ханквист К.М., Алкандри Х., Бойд И.Д. Оценка компьютерного моделирования охлаждения транспирацией электронов при высоких энтальпиях // Журнал теплофизики и теплопередачи. 2017. Том 31. № 2. С. 283–293.
- Ханквист К.М., Бойд И.Д. Вычислительный анализ электронного испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // 55-е совещание AIAA по аэрокосмическим наукам. 2017. С. 0900.
- Ханквист К.М., Хара К., Бойд И.Д. Моделирование электронного испарительного охлаждения гиперзвуковых аппаратов // 46-я конференция AIAA по теплофизике. 2016. С. 4433.
- Ханквист К.М., Бойд И.Д. Плазменное охлаждение горячих поверхностей на гиперзвуковых летательных аппаратах // Рубежи физики. 2019. Том 7. С. 9.
- Ханквист К.М., Бойд И.Д. Сравнение расчетов с экспериментами по охлаждению транспирацией электронов при высоких энтальпиях // 45-я конференция AIAA по теплофизике. 2015. С. 2351.
- Ханквист К. Моделирование электронного испарительного охлаждения передних кромок гиперзвуковых летательных аппаратов: канд. дисс. 2017.
- Е.М.Ю., Такамура С. Влияние излучения с ограниченным пространственным зарядом на измерения потенциала плазмы с использованием эмиссионных зондов // Физика. Плазма 7(8), 3457–3463 (2000).
- Такамура С., Оно Н., Йе М.Ю., Кувабара Т. Ток с ограниченным пространственным зарядом от поверхности материала, обращенного к плазме // Сост. Физика плазмы. 44(1–3), 126–137 (2004).
- Кэмпбелл Н.С. и др. Оценка вычислительных моделей для охлаждения электронным испарением // Аэрокосмическая промышленность. 2021. Т. 8. № 9. С. 243.
- Бак Дж. и др. Экспериментальное исследование охлаждения транспирацией электронов с помощью лазерной системы нагрева мощностью 2 кВт // Форум AIAA SCITECH 2022. 2022. С. 0983.
- Пакстон О.Л., Порат Х., Ян И.Х. Экспериментальные результаты эффекта охлаждения транспирацией электронов в расширительном туннеле X2 // Форум AIAA AVIATION 2023. С. 3808.
- Кэмпбелл Н.С. и др. Оценка вычислительных моделей для охлаждения электронным испарением // Аэрокосмическая промышленность. 2021. Т. 8. № 9. С. 243.
- Мейерс Дж. М. и др. Характеристика излучателей LaB 6 в установке с индуктивно связанной плазмой для охлаждения с помощью переноса электронов // Форум AIAA AVIATION 2022. С. 3579.
- Шазот О., Хелбер Б. Тестирование концепции охлаждения электронным испарением в плазменной аэродинамической трубе. Институт фон Кармана, Бельгия, 2017.
- Кюстер А.Э. Обработка электрида майенита и его композитов методом искрового плазменного спекания: кандид. дисс. Университет штата Колорадо, 2019.
- Тан Х. и др. Усиленная термоэлектронная эмиссия композитов на основе электрида майенита в плазме тлеющего разряда Ar // Ceramics International. 2021. Т. 47. № 12. С. 16614–16631.
- Лян У. и др. Внутренние связи между термоэмиссионным охлаждающим эффектом и эмиссионными характеристиками катодов W-La2O3 при высоких температурах // Письма по материалам. 2022. Т. 308. С. 131172.
